Особенности природоохранныхмероприятий на ТЭС
1. Перспективные направления развитияприродоохранных технологий
В мире (и, в частности, внашей стране) обозначилась тенденция к перераспределению общего топливногобаланса, где доля использования твердых топлив, по отношению к жидким игазообразным, возрастает главным образом за счет более широкого вовлечения вэнергобаланс низкосортных углей [21, 78]. Причина этого лежит в ограниченностимировых запасов нефти и газа по сравнению с углем с одной стороны, и ввозможностях создания технологий сжигания угля, удовлетворяющих жесткимэкологическим требованиям, с другой.
В нашей странекрупнейшими из эксплуатируемых месторождений бурого угля являются канско-ачинские.Их использование во многом определяет энергетическую политику государства.Поэтому предполагается дальнейшее развитие канско-ачинского энергетическогокомплекса (КАТЭКа) [60, 65], включая и социальную инфраструктуру региона вместес ее тепловыми потребителями. Кроме того, угли бассейна используются почти повсей территории Сибири и Дальнего Востока, часто в крупных промышленных центрахна ТЭЦ. В этой связи следует отметить, что снабжение ряда сибирских ТЭСканско-ачинскими углями (КАУ) характеризуется резким изменением качествапоставляемого топлива относительно проектного [88]. В свою очередь, припоставках несортового топлива на ТЭС, не приспособленных к надежному егосжиганию, нарушается надежность работы оборудования, надежностьэнергообеспечения, ухудшаются экологические показатели, экономичность,оборудование быстрее стареет, снижается безопасность его эксплуатации. Этотребует проведения комплекса работ по усреднению качественных характеристиктоплива либо на месте добычи, либо, путем обогащения, в технологической схеметопливоподготовки ТЭС. При этом экологическая обстановка как в целом на КАТЭКе,так и в отдельных городах крайне тяжелая [60, 65, 69].
Таблица 1.Развитиеэлектроэнергетической системы Сибири Показатель 1990 г. 1995 г. 2000 г.
Электропотребление по Сибири в целом, млрд. кВт×ч,
в т.ч. ОЭЭС Сибири
307
223
350...365
250...258
410...430
270...285 Установленная мощность электростанций ОЭЭС Сибири, млн. кВт: всего 47,6 61...61,2 71...71,5 в т.ч. ГЭС 22,4 26,6 28,5 ТЭЦ 15 20 25 КЭС 10,2 14,4...14,6 17,6...18 из них КЭС КАТЭКа 1,6 4 8,8
Положение усугубляетсятем, что парк энергетического оборудования в значительной степени морально ифизически устарел. Мощность морально устаревшего оборудования в стране более 5млн. кВт при удельных расходах топлива более 400 г/кВт×ч, причем значительная часть этогооборудования сосредоточена в Сибирьэнерго [31].
Предполагаемое развитиеэлектроэнергетической системы Сибири показано в табл.1, откуда видно, чтоосновное направление для обеспечения роста электротеплопотребления Сибири — строительство ТЭЦ. В то же время прогнозируемая добыча угля на КАТЭКе в 2000 г. должна составлять 110...115 млн. т/год против 60 млн. т/год в 1990 г. из которых 70% потребляет Минэнерго [60].
В то же время, в условияхувеличения потребления угля электростанциями, для предотвращения толькоувеличения суммарного выброса в окружающую среду вредных веществ потребуетсязначительное улучшение экологических показателей [132] (на базе создания новыхтехнологий сжигания твердых топлив) не только вновь вводимых мощностей, но идействующих, так как существующий в настоящее время уровень очистки являетсянедостаточным. Создание таких технологий особенно актуально для крупныхпромышленных центров с их теплоцентралями.
Отличительнойособенностью ТЭЦ является комбинированная выработка электрической и тепловойэнергии. Это определяет их строительство вблизи потребителей тепла, что всегдапредполагает развитую жилищно-коммунальную и бытовую инфраструктуру. Именновыработка тепла и близость густонаселенных жилых районов определяет остальныеособенности ТЭЦ — по выбору промплощадки, установленной и единичной мощности,несению нагрузки, включению в единую энергосистему (ЕЭС), резервированиюмощности и др. Причем особенное значение приобретают такие факторы (особеннодля крупных городов) как сложившаяся схема тепловых, транспортных, кабельных идр. коммуникаций, водоснабжение, фоновые загрязнения, роза ветров, другие. Сегодня,в связи с переходом к рыночной экономике, появились новые факторы требующиеучета. В первую очередь — это вопросы финансирования всех видов работ отпроектирования до строительства. Кроме того, часть предприятий, выпускающихэнергетическую продукцию, волею судеб оказалась за границей, что, если и неограничивает возможности выбора оборудования, то, как минимум, увеличивает капиталовложенияза счет таможенных пошлин. Нельзя не отметить и возросшую роль социальногофактора, так как сегодня сила общественного мнения порой может повлиять напринятие решения. С другой стороны, требования предъявляемые к экологическичистой ТЭС в какой-то мере решают вопросы безопасности граждан, на что вконечном счете влияет загрязнение окружающей среды [83], но, тем самым, осложняют(и без того непростую) проблему финансирования, так как добиться требуемойочистки выбросов без значительных финансовых затрат не представляетсявозможным. В то же время, нельзя забывать и возможность (а может быть инеобходимость) энергообеспечения городов с учетом мнения населения, так какименно люди являются конечными потребителями электроэнергии и тепла. Такойподход предполагает наличие альтернативных вариантов энергоснабжения и еще болееосложняет проблему финансирования как с точки зрения проработки несколькихальтернатив, так и с точки зрения проведения процедур по выяснениюобщественного мнения.
Доля загрязненияокружающей среды от действия ТЭЦ в значительной мере определяется совершенствомкотельного, паросилового и вспомогательного оборудования. Примечательно, чтопаросиловое оборудование и сопутствующие ему вспомогательные механизмы, включаяи систему охлаждения конденсатора, оказывает лишь тепловое воздействие наокружающую среду и с дренажной водой через различные протечки охлаждающихжидкостей и смазывающих веществ. В то же время, от работы котельногооборудования, включая системы топливоподготовки и очистки дымовых газов, восновном зависит степень загрязнения окружающей среды. Главным образом, этосвязано с выбросом в атмосферу продуктов сгорания с температурой 120...150 ОС,аэрозольная часть которых в значительной степени осаждается на землю сосадками, а газовая часть может вступать во взаимодействие с атмосфернойвлагой, кислородом или другими элементами воздуха. Такие выбросы, кроменепосредственного воздействия на окружающую среду вблизи энергоисточника, вконечном итоге, приводят к образованию так называемых “кислотных дождей”, утонениюозонового слоя Земли, увеличению толщины облачного покрова и возникновению парниковогоэффекта [117], и охватывают территории, расположенные за сотни, а то и тысячи[15] километров от источника выбросов. Вместе с тем, нежелательнымиэкологическими факторами действия угольных ТЭС являются золоотвал, загрязненияс химводоочистки, промывок, другие относительно мелкие утечки от различныхвспомогательных служб (мазутное хозяйство, склад ГСМ, гараж, газогенераторная,аккумуляторная, РММ и т.д.).
Очевидно, что элементнаябаза создания новых технологий является одним из решающих факторов снижениявредных выбросов от действия ТЭС. В этой связи можно выделить два направленияразвития. Первое — это создание развитых систем серо-, азото- и золоочисткидымовых газов, в том числе и с утилизацией отходов в виде производствапродукции для сельского хозяйства и стройиндустрии, и второе — это получениеминимального содержания вредных веществ в дымовых газах за счетсовершенствования топочных процессов, в том числе и создания развитых системтермической подготовки топлива.
2. Системыочистки дымовых газов — как элементная база создания новых технологий
2.1 Общие сведения
Как уже отмечалось выше,дымовые газы являются основным источником загрязнения от действия ТЭС.Содержание вредных веществ в них определяет не только состояние атмосферы, ново многом и состояние почвы и водного бассейна, влияет на жизнь флоры и фауныи, конечно, человека. Именно через атмосферные выбросы вокруг городов Ачинска,Назарово, Канска сложились ареалы техногенного изменения окружающей средыдиаметром до 20...30 км, где сильно нарушена структура почв, растительности,био- и микроценозов [60]. Особенно тяжелая ситуация сложилась в крупныхпромышленных центрах Сибири. В г. Ачинске, например, только глиноземныйкомбинат выбрасывает в атмосферу ежегодно около 160 тыс. т пыли, 22 тыс. тсернистого газа, 14,5 тыс. т оксидов азота. Аналогичная обстановка и вНовокузнецке, Назарово, Прокопьевске, Кемерово и ряде других городов [60, 65,92].
Из всей гаммы токсичныхвеществ, находящихся в дымовых газах, наибольшую опасность представляют зола,двуокись серы (SO2) и окислы азота (NOХ). Выбросы именноэтих веществ регламентируются жесткими нормами (Лекция№1, табл.1).
Существуют разные способыи системы очистки дымовых газов. Часто (для золы всегда) это аппараты,устанавливаемые после конвективных поверхностей нагрева котлов.2.2 Выбросы золы и очистка от них
Зола представляет из себятвердые частицы негорючих элементов угля. В основном — это оксиды кремния (SiO2),железа (Fe2O3), алюминия (Аl2O3),магния (MgO), кальция (СаО), серы (SO3) и некоторые другие, в томчисле незначительное количество мышьяка и тяжелых металлов (свинец, ванадий,хром, цинк). Для разных углей элементарный состав золы может значительно отличатьсядруг от друга. Например, в КАУ (в отличие от каменных углей Кузнецкогобассейна) окись кальция является одним из основных компонентов, но даже и дляКАУ содержание СаО колеблется от 26 до 42,5% в зависимости от месторождения иразреза [88].
Однако, основнойпараметр, характеризующий золовые частицы — это их размеры или дисперсность.Они колеблются в широких пределах — от десятых и сотых долей микрона до 100 мкми более, и зависят от способа сжигания.
Следует отметить, чтонаибольшую опасность для человека представляют частицы размером 0,5...5 мкм,более крупные задерживаются в полости носа, более мелкие — выдыхаются.Содержание именно этого диапазона частиц в приземном слое атмосферыспособствует возникновению у человека болезненных симптомов, вплоть доповышения смертности, (табл.1.4).
Аппараты золоочистки,точнее — уловители аэрозолей, и диапазон размеров улавливаемых ими частицпоказан на рисунке 1.
Кроме представленных нарисунке, существует ряд перспективных пылеулавливающих устройств. К нимотносятся: конденсационный пылеуловитель, в котором применены два механизмаосаждения (во-первых, укрупнение частиц при конденсации на них паров изпарогазовой смеси путем смешения очищаемых газов с паром, во вторых — частицы(при охлаждении парогазовой смеси) захватываются потоком пара, диффундирующим кцентрам конденсации (каплям охлаждающей жидкости) или охлаждающим поверхностям.Таким способом можно осадить даже субмикронные частицы.
В другой установкеводо-инерционного типа на орошение подается вода под давлением 240 бар стемпературой около 205О С. Распыливаясь через сопло, она образуетдвухфазную среду: пар — жидкие капли, при этом капли разгоняются до 300 м/с, и,благодаря инерции, на них осаждаются частицы, в том числе и размером менее 1мкм [15]. Перспективной сухой золоочисткой являются роторные зернистые фильтры.Они предназначены для очистки газов с температурами до 300О С отнеслипаемой и слабослипаемой пыли. В качестве зернистого материала используютсякерамические и стеклянные шарики, крупнозернистый песок, отсевы щебенки и т.п.КПД такого фильтра может составлять 95...99,8% в зависимости от концентрациипыли в очищаемом газе, при этом концентрация пыли в очищенном газе не будетпревышать 0,05...0,1 г/м3 [60].
/>
Рис. 1. Аппараты дляулавливания взвешенных частиц
В последнее время особоевнимание уделяется возможностям золоуловителей подавлять окислы серы и азотапутем ввода в орошающую воду разных добавок. В разных случаях (в зависимости отвида топлива, его качества, режима работы котла, типа присадок и способа ихввода и т.п.) можно снизить эти выбросы на 10...20%. [23, 30, 78] Правда, приэтом стенки золоуловителей, как правило, подвергаются либо коррозии, либоотложениям и для защиты от этого требуют гуммирования (покрытие эластичнымматериалом). В этом случае, например, обычный циклон или циклон Вентурипревращается в сложную и дорогую установку [78], при этом продукты, полученныев результате подавления, вместе с золой попадают в отвал, увеличивается щелочностьили кислотность воды (для гидрозолоудаления) и, в целом, увеличивается вредноевоздействие отвала на среду.2.3 Методы химической очисткидымовых газовВыбросысеры и очистка от них
Твердое топливо можетсодержать серу в следующих формах: колчедана Fe2S и пирита FeS2в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральнойчасти. Соединения серы в результате горения превращаются в оксиды серы, причемоколо 99% составляет сернистый ангидрид SO2, остальная частьвыделяется в виде триоксида серы SO3 либо сульфатов СаSO4.
Наиболеераспространенными методами сероочистки являются следующие:
· мокрый известняковый (известковый)способ [23, 34, 95, 101,103];
· мокро-сухой способ [6, 30, 34];
· магнезитовый циклический способ [10,33];
· аммиачно-циклический способ [7, 78];
· сухой известняковый (аддитивный)способ [27, 34].
В их основе лежитиспользование реагента для связывания оксидов серы. В качестве такого веществачаще всего выступает известняк СаСО3 (карбонат кальция) или известьСа(ОН)2 (гидрат оксида кальция), так как они являются наиболеедешевыми щелочными реагентами. КПД сероподавления лежит в пределах 80...90% приразнице в затратах для “мокрых” способов (с учетом эксплуатационных издержек)на уровне 20% [10].
При относительно равныхвозможностях сероподавления и равных затратах на производство и эксплуатациювид, сероочистки должен определяться как свойствами используемого угля, так исвойствами его золы. Для КАУ, например, при высоком содержании Са в золе,неприемлемы “мокрые” способы сероподавления из-за образования в аппаратахсероочистки трудноудаляемых отложений гипса. В то же время, “сухой”известняковый способ является наиболее простым и требует минимальныхкапиталовложений.
Сущность способазаключается в добавлении к сжигаемому топливу известняка или доломита вколичестве, примерно в два раза превышающем стехиометрически содержание серы висходном топливе. В топке под воздействием температуры известняк диссоциируетна углекислоту и оксид кальция, а последний взаимодействует с сернистымангидридом:
CaCO3t®CaO+CO2
CaO+SO2+1/2O2®CaSO4
В результате образуетсясульфат кальция, который вместе с золой улавливается в золоуловителях. Вканадской энергосистеме ONTARIO HYDRO на основе этого способа разработанатехнология SONOX [27] для одновременного снижения выбросов окислов серы и азотапри КПД сероподавления — 80%, азотоподавления — 90%.Выбросы азота и очисткаот них
Источником оксидов азотана ТЭС является молекулярный азот воздуха и азотосодержащие компоненты топлива.Первые часто называют «термические», вторые — «топливные»оксиды азота.
Совокупность явлений,происходящих при окислении азота воздуха, может быть описана на основаниитеории Н.Н.Семенова — Я.Б.Зельдовича — Д.А.Франк-Каменецкого [59, 106].Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислородавоздуха под действием высоких температур (более 1473 К), идущая с поглощениемтеплоты:
О2О+О-495 кДж/моль.
Атомарный кислородреагирует с молекулой азота, а образовавшийся в результате эндотермическойреакции атомарный азот вступает в экзотермическую реакцию с молекулярнымкислородом:
N2ONO+N-314 кДж/моль;
O2+N=NO+O+134кДж/моль;
N2+O2=2NO-180кДж/моль.
В последние 5...8 летвопросам образования оксидов азота уделялось большое внимание [29, 49, 53, 55,59, 78, 86, 132]. Кроме “топливных” и “термических” оксидов в зоне температурниже 1800 К (за пределами ядра факела) образуются “быстрые” оксиды азота. Ихсодержание во многом определяет минимальный выход оксида азота в зоне горения[97-99]. “Топливные” оксиды образуются на начальном участке факела притемпературах около 1000 К. При этом, относительно большое влияние “топливных”оксидов азота имеет место в котлах малой мощности, для которых температуры вядре факела невысоки и образование “термических” оксидов по этой причиненезначительно.
Методы химической очисткигазов от NOХ бывают:
· окислительные, основанные наокислении оксида азота в диоксид с последующим поглощением различнымипоглотителями;
· восстановительные, основанные на восстановленииоксида азота до азота и кислорода с применением катализаторов;
· сорбционные, основанные на поглощенииоксидов азота различными сорбентами (цеолитами, торфом, коксом, воднымирастворами щелочей и др.).
Применительно к очисткедымовых газов котлов наиболее перспективны восстановительные методы. Один изних — метод восстановления с помощью аммиака. Этот метод основан навзаимодействии аммиака с оксидами азота при определенных температурах последующим основным реакциям:
4NO+4NH3+O2®4N2+6H2O;
6NO+8NH3®7N2+12H2O.
При высоких температурах(900...1100О С) они протекают без катализаторов. Дозирование аммиакаосуществляется в зависимости от режимов работы котла, чтобы исключить егопроскок в атмосферу (на практике полностью исключить проскок аммиака не удаетсяи он может составлять 3,8 мг/м3 [25]). При более низких температурах(573...723 К) реакция разложения оксидов азота протекает только в присутствиикатализатора. В качестве катализаторов используются оксиды различных металлов(титан, хром, ванадий). Они наносятся на элементы с развитой поверхностью,выполненные в виде сот, гранул или пластин.
В связи с опасностьюиспользования аммиака (высокая токсичность), и необходимостью специальных мерзащиты персонала, за рубежом, в частности в Германии [25], проходятпромышленные испытания установки с использованием вместо аммиака карбамида, подругому мочевины (NH2)2СО. Степень восстановления оксидовазота достигает 80...90%.
Следует отметить, что в последнеевремя наибольшее внимание уделяется таким методам, которые позволяютодновременно снижать выбросы не только оксидов азота, но и серы. В этомнаправлении изучаются возможности традиционных способов очистки и ведутсяработы по созданию новых и в нашей стране и за рубежом.
Обобщая обзор похимическим методам очистки дымовых газов имеет смысл отметить присущие имнедостатки, в связи с чем, они не могут считаться безусловно перспективными:
· сложность, а подчас и громоздкостьагрегатов, так как, почти во всех случаях, химическая очистка — это сложноепроизводство, требующее не только специального оборудования, но и специальнойквалификации обслуживающего персонала;
· высокая агрессивность рабочих сред и,как следствие, коррозионно-эррозионный износ даже легированных сталей марокХ15, Х18Н10Т, Х17Н13М2Т и т.п.;
· наличие трудноудаляемых отложений втрубках, тройниках, коленах, переходах и т.п.;
· ненадежная работа арматуры;
· по вышеназванным причинам, ненадежнаяработа установок в целом;
· дороговизна.
Следует отметить, чтоутилизация выбросов дымовых газов в виде серной и азотной кислот, аммонийныхудобрений ((NH4)2 SO4 — сульфат аммония и NH4NO3 — аммиачная селитра), гипса или других продуктов не может рассматриваться какбезусловное достоинство современных методов очистки еще и по экономическимпричинам, кроме вышеперечисленных. Достоинством, скорее, является возможностьтакой утилизации.
Выводы
В условиях ростапотребления твердых ископаемых топлив, по комплексу экономических,технологических, экологических и физико-химических свойств, следует считатьперспективным использование КАУ, в том числе и в крупных городах на ТЭЦ.
В условиях высокогозагрязнения окружающей среды, сложившихся в крупных промышленных регионах,необходимо создание новых технологий сжигания угля удовлетворяющих жесткимэкологическим требованиям.
Химические методы очисткидымовых газов не могут считаться безусловно перспективными из-за большогоколичества недостатков.
Из-за высокого содержанияв золе КАУ кальция (до 43% [88]), при использовании химических методов очисткидымовых газов от сернистого ангидрида, следует отдавать предпочтение “сухим”методам очистки.
Оптимальной золоочисткойдля КАУ можно считать комбинацию циклона с электрофильтром, при условии, чтоКПД этих устройств обеспечит суммарный выброс аэрозолей £50 мг/м3.